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Abiotischer Abbau und Diffusion chlorierter Lösemittel in Fe2+-haltigen ungestörten Kalksteinen und Tonsteinen

Langsame Diffusionsprozesse von Schadstoffen in geringdurchlässigen wasser-gesättigten Gesteinen sind ein wesentlicher Grund für den beschränkten Erfolg vieler Untergrundsanierungen. Zu den immer noch wichtigsten Schadstoffen im Grundwasser zählen die chlorierten Lösemittel, die trotz jahrzehntelanger Sanierungsanstrengungen inzwischen lange Fahnen im urbanen Raum ausbilden. Eine langsame Diffusion bedingt aber auch lange Aufenthaltszeiten in der Gesteinsmatrix und damit können langsame abiotische Abbaumechanismen zum Tragen kommen, die auf Fe2+-haltige Mineralien wie z.B. Eisensulfide, Magnetit oder Phyllosilikate zurückgehen, und bei der Einschätzung des natürlichen Abbaupotentials berücksichtigt werden sollten. Ziel dieses Vorhabens ist es daher, die Transformation von Tri- und Perchlorethen während der Diffusion in Gesteinsproben geklüfteter Aquifere und Aquitarde zu quantifizieren. Weil die Reaktionsraten der Ausgangssubstanzen sehr wahrscheinlich zu klein sind, um im Labor gemessen werden zu können, liegt der Fokus auf der Bestimmung von Transformations- und Abbauprodukten (bspw. teil-chlorierte Ethene, Azetylen, Ethan). Die Experimente zur reaktiven Diffusion müssen mit intakten Gesteinsproben durchgeführt werden, da beim Zerkleinern reaktive Mineralober-flächen (z.B. bei Quarz und Pyrit) entstehen könnten, die zur Dehalogenierung der Ausgangssubstanzen führen könnten. Im Unterschied zu früheren Studien sollen hier die für die Reaktivität verantwortlichen spezifischen Minerale in der Gesteins-matrix identifiziert werden. Die Ergebnisse sind nicht nur für das Langzeitverhalten von chlorierten Lösemitteln im Grundwasser, sondern generell auch für die Endlagerung von radioaktiven Abfällen oder die chemische Verwitterung (Oxidation) von reduzierten Gesteinen relevant.

Mobilisierung und Retention von Arsen an Redoxfronten bei advektivem Transport - Ein integrativer, multidisziplinärer Ansatz (AdvectAs)

Weltweit gefährden erhöhte Arsenkonzentrationen im Grundwasser die Gesundheit von mehr als 100 Millionen Menschen insbesondere in den dicht besiedelten Deltaregionen Süd- und Südostasiens. Aquifere mit hohem und niedrigem As-Gehalt sind durch unterschiedliche Redoxbedingungen gekennzeichnet und durch schmale Übergangszonen voneinander getrennt. Diese Fe dominierten Redoxfronten spielen hinsichtlich der Advektion und Retention von As eine entscheidende Rolle und schützen unbelastete Aquifere vor As Eintrag. Diese Schutzfunktion wird in Zukunft immer bedeutender, da die Grundwasserentnahme aufgrund des global zunehmenden Wasserbedarfs steigt und somit, durch erhöhte Advektionsraten, bisher nicht mit As belastete Grundwässer zusehends gefährdet. Trotz langjähriger Forschung bleibt ungeklärt, inwieweit und in welchem Ausmaß Fe dominierte Redoxfronten, insbesondere bei erhöhtem Grundwassertransport, der Kontamination von Grundwasser mit As entgegenwirken und verlangsamen können. Im Mittelpunkt unseres Projektes steht die Hypothese, dass die Langzeitstabilität und somit die Kontrollfunktion Fe dominierter Redoxfronten durch ein Zusammenspiel von (a) Transportprozessen, (b) mikrobieller Aktivität und (c) der Stabilität der Arsenträgerphasen (meist Fe Phasen) bestimmt wird. Wir nehmen an, dass sich sowohl Art und Menge an Fe Mineralen als auch die As Speziierung entlang des Redoxgradienten verändern und zwar in Abhängigkeit der verfügbaren Elektronendonatoren und -akzeptoren, der mikrobiellen Aktivität, der hydrogeochemischen Gradienten, sowie dem vorherrschenden Wassertransport. Weiter gehen wir davon aus, dass vertikale Austauschprozesse gelösten organischen Kohlenstoff aus den begrenzenden Aquitarden dem Aquifer zuführen, welches die Arsenmobilisierung weiter verstärkt. Übergeordnetes Ziel unseres Forschungsprojekts ist es, die Wissenslücken hinsichtlich der Arsenmobilität an Fe dominierten Redoxgrenzen durch einen bewusst integrativen und interdisziplinären Ansatz zu schließen, um die Gefährdung bisher nicht kontaminierter Grundwässer sachlich fundiert abschätzen zu können. Die fachübergreifenden Arbeiten sollen an einem Testfeld in Vietnam durchgeführt werden, welches durch viele gemeinsame Vorarbeiten sehr gut charakterisiert ist und sich als Modellstandort für unsere Fragestellungen bestens eignet. Alle erhaltenen Daten und Informationen werden in einem reaktiven Transportmodell zusammengeführt und so einheitlich interpretiert. Dieses Modell koppelt die grundlegenden biogeochemischen Prozesse mit den relevanten Transport- und Austauschmechanismen, so dass auch quantitative Vorhersagen über die zeitliche und räumliche Entwicklung der Redoxfronten bzw. der Arsenmobilität getroffen werden können. Ein vergleichbarer integrativer Ansatz, der von Beginn an und bewusst alle wesentlichen Fachrichtungen zur Beurteilung der As Dynamik einbezieht und gesicherte Prognosen erst ermöglicht wurde in dieser Form noch nicht unternommen.

ROCKFLOW - Numerische Simulation von Stroemung, Stoff- und Waermetransport im Festgestein

Fuer zahlreiche Fragestellungen im Zusammenhang mit der Deponierung von Abfaellen, der Altlastensanierung, der Grundwassergewinnung und der Nutzung geothermischer Energie sind Modelluntersuchungen im Kluftgestein durchzufuehren. Dabei sind einerseits geringleitende Formationen fuer die Deponierung von Interesse, die eine wirksame geologische Barriere zur Isolierung von Schadstoffen bilden, andererseits geht es um die Bewirtschaftung von Aquiferen zur Grund- und Thermalwassergewinnung. Die Simulation von Stroemungs- und Transportprozessen in klueftig-poroesen Grundwasserleitern und Grundwassergeringleitern stellt spezifische Anforderungen an die modelltechnische Umsetzung, die aus der signifikanten Inhomogenitaet des klueftigen Untergrunds erwachsen. Zur numerischen Simulation solcher Vorgaenge ist das Finite-Elemente-Programmsystem ROCKFLOW entwickelt worden. Das Programm besteht aus einer Reihe von FE-Rechnenkernen (Kernels), welche die prozessspezifischen Differentialgleichungen mittels Galerkin-FEM approximieren. Diese Rechenkerne sind miteinander verknuepfbar (Models), so dass gekoppelte Prozesse (z.B. Tracertransport durch eine Gasstroemung) simuliert werden koennen. Physikalische Prozesse: Folgende physikalische Prozesse sind modellierbar: - Grundwasserstroemung (Sicker- und Kluftstroemung) - Gasstroemung (kompressible Fluide) - Mehrphasenstroemungen (Systeme aus in- und kompressiblen Fluiden) - nicht- (Forchheimer) und liniare Fliessgesetze (Darcy) - hydrodynamische Dispersion (Scheidegger-Ansatz) - Zerfallreaktionen - nicht- (Freundlich, Langmuir) und lineare Gleichgewichtssorption (Henry) - Dichtestroemungen. Numerik: ROCKFLOW ist ein Finite-Elemente-Simulator, wobei verschieden-dimensionale isoparametrische Elemente beliebig im Raum koppelbar sind. Auf der Basis der Methode der gewichteten Residuen wird eine zur prozessbeschreibenden Differentialgleichung aequivalente sog. 'schwache' Integralformulierung abgeleitet. Es stehen verschiedene Loeser zur Verfuegung (Gauss, BiCGSTAB, QMRCGSTAB), um die resultierenden albebraischen Gleichungssysteme zu loesen. Nichtlineare Probleme werden mit Picard- oder Newton-Verfahren behandelt. Gitteradaption: Ab der dritten Version stehen Methoden fuer eine problemangepasste Gitteradaption zur Verguegung. Der Algorithmus zur Gitteradaption basiert auf einem hierarischen Konzept zur Verfeinerung und Vergroeberung gekoppelter verschieden-dimensionaler Elemente. Diskretisierungsfehler koennen entweder mit heuristischen Indikatoren oder einem analytischem Estimator lokalisiert und quantifiziert werden.

Hydrogeologische Einheit (HK50)

Der Geodatensatz enthält die flächenhafte Verbreitung der hydrogeologischen Einheiten (einschließlich bindiger Deckschichten) an der Erdoberfläche. Eine hydrogeologische Einheit ist ein Gesteinskörper, der aufgrund seiner Petrographie, Textur oder Struktur im Rahmen einer festgelegten Bandbreite einheitliche hydrogeologische Eigenschaften aufweist. Eine Deckschicht ist eine oberflächennahe hydrogeologische Einheit oberhalb des ersten zusammenhängenden Grundwasserkörpers, die mit Ausnahme schwebenden Grundwassers in ihrer Gesamtheit kein nennenswertes Grundwasser enthält. Sie liegt vollständig im Bereich der ungesättigten Zone. Die Bandbreite, innerhalb der ein Gesteinskörper als homogen betrachtet wird, ist in starkem Maße vom Bearbeitungs- und Darstellungsmaßstab abhängig (Ad-Hoc-AG Hydrogeologie). Die hydrogeologische Grundkarte wird aus dem digitalen geologischen Basisdatensatz abgeleitet. Für die Festlegung der hydrogeologischen Einheiten werden die geologischen Kartiereinheiten nach hydrogeologischen Gesichtspunkten (Lithofazies, hydrogeologische und geochemische Eigenschaften) gegliedert. Der Geodatensatz beinhaltet darüber hinaus weitere abgeleitete Eigenschaften (als Attribute) der hydrogeologischen Einheiten: - Gesteinsart/Lithologie - Grundwasserleitertyp (Grundwasserleiter und Grundwassergeringleiter) - Hohlraumart und Grad der Verfestigung - hydrogeochemischer Gesteinstyp

Strukturmodell des Quartär im Teileinzugsgebiet "Mittlere Oder"

Im Rahmen des Projektes Geo3D-Oder werden 3D-Modelle des geologischen Untergrundes für die drei im Land Brandenburg an der Oder angrenzenden Teileinzugsgebiete nördlich der Neiße-Mündung erstellt. Die Modelle zeigen die quartären bindigen Schichten von Grundmoränen, glazilimnischen Ablagerungen und der Holstein-Warmzeit bis zur jüngsten Elster-Grundmoräne. Das kombinierte 3D-Modell der Teilgebiete soll perspektivisch als Grundlage für ein Grundwasserströmungsmodell dienen. In diesem Kontext werden die abgebildeten Schichten als Grundwasserhemmer, alle anderen Räume vorerst undifferenziert als Aquifer interpretiert. Die Datengrundlage bildet die Lithofazieskarte Quartär (LKQ 50) der DDR im Maßstab 1 : 50.000. Das Strukturmodell „Mittlere Oder“ zeigt das 3D-Modell des ersten Teilgebiets. Es beinhaltet die aus dem DGM 50 extrapolierte Geländeoberfläche und 10 geologische Horizonte mit Schichtober- und unterkanten. Hierbei wird vereinfachend für alle Schichten eine konkordante Lagerung angenommen und auf eine Reproduktion von Störungen verzichtet. Aufgrund von Datenlücken mussten bei verschiedenen Horizonten größere Flächen mittels einer eigens entwickelten Methode gewissermaßen hypothetisch modelliert werden. Hierzu werden als Randbedingung wirkende Hilfshorizonte („Virtuelle Horizonte“) auf Basis von Höheninformationen anderer Horizonte erstellt. Die resultierenden Modellhorizonte wurden anschließend mit verschiedenen in der Modellierungssoftware SKUA-GOCAD integrierten Werkzeugen nachbearbeitet.

Hydrogeologie von Deutschland 1:1.000.000 (HY1000) (WMS)

In der Karte werden die an der Oberfläche anstehenden Gesteine zunächst in die vier Haupttypen “Porengrundwasserleiter”, “kombinierte Poren- und Kluftgrundwasserleiter”, “Kluft- und Karstgrundwasserleiter” sowie “Grundwassergering- und Grundwassernichtleiter” unterteilt. Eine weitere Differenzierung erfolgt abhängig von der Ausdehnung und Produktivität gemäß der Systematik der Standardlegende für Hydrogeologische Karten (SLHyM). Die Einstufung in die Produktivitätsklassen wurde aus der Durchlässigkeit hergeleitet. Zusätzlich werden die an der Oberfläche anstehenden Gesteine in Form von Flächensignaturen in 19 verschiedene Gesteinsarten und vier geringmächtige Bedeckungen unterschieden. Weiterhin sind Versalzungszonen des oberflächennahen Grundwassers im Binnenland, Gebiete mit Meerwasser-Intrusionen im Küstenbereich sowie Bergbaugebiete dargestellt. Datengrundlage der Karte “Hydrogeologie” ist die von der BGR im Jahr 1993 herausgegebene digitale Geologische Karte der Bundesrepublik Deutschland 1:1.000.000 (GK1000). Die digitale GK1000 beinhaltet Attribute zur Stratigraphie, Lithologie und zur Genese der Gesteine.

Hydrogeologische Regionen von Deutschland 1:1.000.000 (HYREG1000) (WMS)

In der Karte werden die Flächeneinheiten Deutschlands dargestellt, die sich hinsichtlich der Art und Stärke der Grundwasserführung sowie der chemischen Zusammensetzung des Grundwassers einheitlich beschreiben und voneinander abgrenzen lassen. Insgesamt werden fünf Regionen sowie 24 Unterregionen unterschieden, die den wichtigsten Landschaftseinheiten Deutschlands zugeordnet wurden. Für jede Unterregion wird ein schematisches lithologisches Säulenprofil abgebildet, das einen typischen Schichtenaufbau des Untergrundes der jeweiligen Region zeigt. Die Gesteinsarten werden zusätzlich in Grundwasserleiter, Grundwassergeringleiter und Grundwassernichtleiter unterteilt. Die Grundwasserleiter lassen sich entsprechend der Art ihrer Grundwasserführung in die drei Klassen Poren-, Kluft- und Karstgrundwasserleiter aufteilen, während die Grundwassergeringleiter in Locker- oder Festgestein unterteilt werden. Eine weitere Unterscheidung geschieht nach dem vorherrschenden chemischen Milieu des Gesteins (silikatisch, karbonatisch, sulfatisch, organisch). Im Ergebnis wird zwischen zehn Typen von Grundwasserleitern und sechs Typen von Grundwassergeringleitern differenziert. Grundlage für die Karte sind die digital vorliegenden Daten der Geologischen Karte 1:1.000.000 (GK1000).

INSPIRE: Hydrogeological Map of Germany 1:250,000 (HÜK250)

The HÜK250 (INSPIRE) describes the hydrogeological characteristics of the upper continuous aquifers in Germany at a scale of 1:250,000. According to the Data Specification on Geology (D2.8.II.4_v3.0) the content of the map is stored in a INSPIRE-compliant GML file: HUEK250.gml. The GML file together with a Readme.txt file is provided in ZIP format. The Readme.txt file (German/English) contains detailed information on the GML file content. Data transformation was proceeded by using the INSPIRE Solution Pack for FME according to the INSPIRE requirements.

Hydrogeologische Regionen von Deutschland 1:1.000.000 (HYREG1000)

In der Karte werden die Flächeneinheiten Deutschlands dargestellt, die sich hinsichtlich der Art und Stärke der Grundwasserführung sowie der chemischen Zusammensetzung des Grundwassers einheitlich beschreiben und voneinander abgrenzen lassen. Insgesamt werden fünf Regionen sowie 24 Unterregionen unterschieden, die den wichtigsten Landschaftseinheiten Deutschlands zugeordnet wurden. Für jede Unterregion wird ein schematisches lithologisches Säulenprofil abgebildet, das einen typischen Schichtenaufbau des Untergrundes der jeweiligen Region zeigt. Die Gesteinsarten werden zusätzlich in Grundwasserleiter, Grundwassergeringleiter und Grundwassernichtleiter unterteilt. Die Grundwasserleiter lassen sich entsprechend der Art ihrer Grundwasserführung in die drei Klassen Poren-, Kluft- und Karstgrundwasserleiter aufteilen, während die Grundwassergeringleiter in Locker- oder Festgestein unterteilt werden. Eine weitere Unterscheidung geschieht nach dem vorherrschenden chemischen Milieu des Gesteins (silikatisch, karbonatisch, sulfatisch, organisch). Im Ergebnis wird zwischen zehn Typen von Grundwasserleitern und sechs Typen von Grundwassergeringleitern differenziert. Grundlage für die Karte sind die digital vorliegenden Daten der Geologischen Karte 1:1.000.000 (GK1000).

Hydrogeologie von Deutschland 1:1.000.000 (HY1000)

In der Karte werden die an der Oberfläche anstehenden Gesteine zunächst in die vier Haupttypen “Porengrundwasserleiter”, “kombinierte Poren- und Kluftgrundwasserleiter”, “Kluft- und Karstgrundwasserleiter” sowie “Grundwassergering- und Grundwassernichtleiter” unterteilt. Eine weitere Differenzierung erfolgt abhängig von der Ausdehnung und Produktivität gemäß der Systematik der Standardlegende für Hydrogeologische Karten (SLHyM). Die Einstufung in die Produktivitätsklassen wurde aus der Durchlässigkeit hergeleitet. Zusätzlich werden die an der Oberfläche anstehenden Gesteine in Form von Flächensignaturen in 19 verschiedene Gesteinsarten und vier geringmächtige Bedeckungen unterschieden. Weiterhin sind Versalzungszonen des oberflächennahen Grundwassers im Binnenland, Gebiete mit Meerwasser-Intrusionen im Küstenbereich sowie Bergbaugebiete dargestellt. Datengrundlage der Karte “Hydrogeologie” ist die von der BGR im Jahr 1993 herausgegebene digitale Geologische Karte der Bundesrepublik Deutschland 1:1.000.000 (GK1000). Die digitale GK1000 beinhaltet Attribute zur Stratigraphie, Lithologie und zur Genese der Gesteine.

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